import java.util.ArrayList;
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;

public class AVLTree<K extends Comparable<K>,V> {

    private class Node{
        public K key;

        public V value;
        // AVL树需要记录一下高度值
        public int height;
        public Node left,right;

        public Node(K key, V value) {
            this.key = key;
            this.value = value;
            this.left = null;
            this.right = null;
            this.height = 1;
        }
    }

    private Node root;
    private int size;

    public AVLTree() {
        root = null;
        size = 0;
    }

    /**
     * 获得节点node的平衡因子:计算左右子树的差
     * @return
     */
    private int getBalanceFactor(Node node){
        if (node == null){
            return 0;
        }
        return getHeight(node.left) - getHeight(node.right);
    }

    public void add(K key, V value) {
        this.root = add(root,key,value);
    }

    private Node add(Node node, K key, V value) {
        if (node == null){
            size ++;
            return new Node(key, value);
        }
        if (key.compareTo(node.key) < 0){
            node.left = add(node.left,key,value);
        } else if (key.compareTo(node.key) > 0) {
            node.right = add(node.right,key,value);
        }else {     // key和node.key相等
            node.value = value;
        }

        // 更新height
        node.height = 1 + Math.max(getHeight(node.left),getHeight(node.right));
        // 计算平衡因子
        int balanceFactor = getBalanceFactor(node);
//        if (Math.abs(balanceFactor) > 1){
//            System.out.println("unbalanced:" + balanceFactor);
//        }
        // 插入节点之后递归开始回溯，在此时平衡维护
        // 可以参考B站这个视频【平衡二叉树(AVL树)】 https://www.bilibili.com/video/BV1tZ421q72h/?share_source=copy_web&vd_source=b6d7b087bab99ff4868b358535b577ff
        // LL
        if (balanceFactor > 1 && getBalanceFactor(node.left) >= 0){
            return rightRotate(node);
        }
        // RR
        if (balanceFactor < -1 && getBalanceFactor(node.right) <= 0){
            return leftRotate(node);
        }
        // LR
        if (balanceFactor > 1 && getBalanceFactor(node.left) < 0){
            node.left = leftRotate(node.left);
            return rightRotate(node);
        }
        // RL
        if (balanceFactor < -1 && getBalanceFactor(node.right) > 0){
            node.right = rightRotate(node.right);
            return leftRotate(node);
        }

        return node;
    }

    /**
     * 对节点y进行向右旋转操作，返回旋转后新的根节点x
     *           y                                          x
     *         /   \                                     /     \
     *        x    T4        向右旋转 （y）               z       y
     *      /   \       —— —— —— —— —— —— ——>         /   \   /   \
     *     z    T3                                   T1   T2 T3   T4
     *   /  \
     *  T1  T2
     * @param y 需要进行右旋操作的节点
     * @return 右旋操作后的新的根节点
     */
    private Node rightRotate(Node y){
        Node x = y.left;
        Node T3 = x.right;
        // 向右旋转过程
        x.right = y;
        y.left = T3;
        // 更新height值
        y.height = Math.max(getHeight(y.left),getHeight(y.right)) + 1;
        x.height = Math.max(getHeight(x.left),getHeight(x.right)) + 1;

        return x;
    }
    /**
     * 对节点y进行向左旋转操作，返回旋转后新的根节点x。
     *           y                                                x
     *         /   \                                           /     \
     *       T1     x             向右旋转 （y）                z       y
     *            /   \       —— —— —— —— —— —— ——>         /   \   /   \
     *          T2     z                                   T1   T2 T3   T4
     *               /  \
     *              T3  T4
     * @param y 需要进行左旋操作的节点
     * @return 左旋操作后的新的根节点
     */
    private Node leftRotate(Node y){
        Node x = y.right;
        Node T2 = x.left;

        // 向左旋转过程
        x.left = y;
        y.right = T2;

        // 更新height值
        y.height = Math.max(getHeight(y.left),getHeight(y.right)) + 1;
        x.height = Math.max(getHeight(x.left),getHeight(x.right)) + 1;

        return x;
    }

    private Node minimum(Node node){
        if (node.left == null){
            return node;
        }
        return minimum(node.left);
    }
    public V remove(K key) {
        Node node = getNode(root, key);
        if (node != null){
            // 从根节点开始递归的去寻找待删除节点
            root = remove(root, key);
            return node.value;
        }
        return null;
    }

    private Node remove(Node node,K key){
        if (node == null){
            return null;
        }
        Node retNode;
        if (key.compareTo(node.key) < 0){
            node.left = remove(node.left,key);
            // 因为后续需要维护树的平衡，所以这里不能直接返回
            retNode = node;
        } else if (key.compareTo(node.key) > 0) {
            node.right = remove(node.right,key);
            retNode = node;
        }else {
            // 待删除节点左子树为空的情况
            if (node.left == null){
                Node rightNode = node.right;
                node.right = null;
                size --;
                retNode = rightNode;
            }
            // 待删除节点右子树为空的情况
            else if (node.right == null){
                Node leftNode = node.left;
                node.left = null;
                size --;
                retNode = leftNode;
            }else {
                // 左右子树均不为空的情况
                // 找到比待删除节点大的最小的节点，即待删除节点右子树的最小节点
                // 用这个节点顶替待删除节点的位置
                Node successor = minimum(node.right);
                successor.right = remove(node.right, successor.key);
                successor.left = node.left;

                node.right = node.left = null;

                retNode = successor;
            }

        }
        if (retNode == null){
            return null;
        }

        // 更新height
        retNode.height = 1 + Math.max(getHeight(retNode.left),getHeight(retNode.right));
        // 计算平衡因子
        int balanceFactor = getBalanceFactor(retNode);
//        if (Math.abs(balanceFactor) > 1){
//            System.out.println("unbalanced:" + balanceFactor);
//        }
        // 平衡维护
        // LL
        if (balanceFactor > 1 && getBalanceFactor(retNode.left) >= 0){
            return rightRotate(retNode);
        }
        // RR
        if (balanceFactor < -1 && getBalanceFactor(retNode.right) <= 0){
            return leftRotate(retNode);
        }
        // LR
        if (balanceFactor > 1 && getBalanceFactor(retNode.left) < 0){
            retNode.left = leftRotate(retNode.left);
            return rightRotate(retNode);
        }
        // RL
        if (balanceFactor < -1 && getBalanceFactor(retNode.right) > 0){
            retNode.right = rightRotate(retNode.right);
            return leftRotate(retNode);
        }

        // 如果不需要维护平衡，则直接返回
        return retNode;
    }

    public boolean contains(K key) {

        return getNode(root,key) != null;
    }

    /**
     * 递归地在二叉搜索树中查找指定键的节点。
     *
     * @param node 当前正在检查的节点。
     * @param key 要查找的键。
     * @return 如果找到键对应的节点，则返回该节点；否则返回null。
     */
    private Node getNode(Node node, K key){
        // 如果当前节点为空，则不可能找到目标节点，返回null。
        if (node == null){
            return null;
        }
        // 如果当前节点的键与目标键相等，则找到目标节点，返回当前节点。
        if (key.compareTo(node.key) == 0){
            return node;
        }else if (key.compareTo(node.key) < 0){
            // 如果目标键小于当前节点的键，则在左子树中递归查找。
            return getNode(node.left,key);
        }else {
            // 如果目标键大于当前节点的键，则在右子树中递归查找。
            return getNode(node.right,key);
        }
    }


    public V get(K key) {
        Node node = getNode(root, key);
        return node == null? null:node.value;
    }

    public void set(K key, V newValue) {
        Node node = getNode(root, key);
        if (node == null){
            throw new IllegalArgumentException(key + "doesn't exist!");
        }
        node.value = newValue;
    }

    public int getSize() {
        return this.size;
    }

    private int getHeight(Node node){
        // 如果是一颗空树，则高度为0
        if (node == null){
            return 0;
        }
        return node.height;
    }

    public boolean isEmpty() {
        return this.size == 0;
    }

    /**
     * 二分搜索树的层序遍历
     */
    public void levelOrder(){
        Queue<Node> q = new LinkedList<>();
        q.add(root);
        while (!q.isEmpty()){
            Node cur = q.remove();
            System.out.println(cur.key+":"+cur.value);

            if (cur.left != null){
                q.add(cur.left);
            }
            if (cur.right != null){
                q.add(cur.right);
            }
        }
    }

    /**
     * 返回以node为根的二分搜索树的最大值所在节点
     * @param node
     * @return
     */
    private Node maximum(Node node) {

        if (node.right == null){
            return node;
        }
        return maximum(node.right);
    }

    /**
     * 二分搜索树的中序遍历
     */
    public void inOrder(){
        inOrder(root);
    }

    /**
     * 中序遍历以node为根的二分搜索树，递归算法
     * @param node
     */
    private void inOrder(Node node) {
        if (node == null){
            return;
        }
        inOrder(node.left);
        System.out.println(node.key+" : "+node.value);
        inOrder(node.right);
    }

    /**
     * 判断该二叉树是否是一棵二分搜索树
     *
     */
    public boolean isBST(){
        ArrayList<K> keys = new ArrayList<>();
        inOrder(root,keys);
        for (int i = 1; i < keys.size(); i++) {
            // 如果这棵树中序遍历的顺序不是从大到小，则这棵树不是二分搜索树
            if (keys.get(i-1).compareTo(keys.get(i)) > 0){
                return false;
            }
        }
        return true;
    }

    /**
     * 中序遍历，之后将元素装入ArrayList中
     * @param node
     * @param keys
     */
    private void inOrder(Node node, ArrayList<K> keys) {
        if (node == null){
            return;
        }
        inOrder(node.left,keys);
        keys.add(node.key);
        inOrder(node.right,keys);
    }

    /**
     * 判断该二叉树是否是一棵平衡二叉树（即每一个节点左右子树高度差不能超过1）
     * @return
     */
    public boolean isBalanced(){
        return isBalanced(root);
    }

    /**
     * 判断以Node为根的二叉树是否是一棵平衡二叉树，递归算法
     * @param node
     * @return
     */
    private boolean isBalanced(Node node) {
        if (node == null){
            return true;
        }
        int balanceFactor = getBalanceFactor(node);
        if (Math.abs(balanceFactor) > 1){
            return false;
        }
        return isBalanced(node.left) && isBalanced(node.right);
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Pride and Prejudice");

        ArrayList<String> words = new ArrayList<>();

        if (FileOperation.readFile("/Users/liuyifan/IdeaProjects/Data-Structures/12-AVLTree/pride-and-prejudice.txt",words)){
            System.out.println("Total words: "+ words.size());

            AVLTree<String, Integer> map = new AVLTree<>();

            for (String word:words){
                if (map.contains(word)){
                    map.set(word, map.get(word)+1);
                }else {
                    map.add(word,1);
                }
            }
            System.out.println("Total different words: " + map.getSize());
            System.out.println("Frequency of PRIDE: " + map.get("pride"));
            System.out.println("Frequency of PREJUDICE: " + map.get("prejudice"));

            System.out.println("is BST : " + map.isBST());
            System.out.println("is Balanced : " + map.isBalanced());

            for (String word:words){
                map.remove(word);
                if (!map.isBST()||!map.isBalanced()){
                    throw new RuntimeException("Error");
                }
            }
        }
        System.out.println();
    }

}
